復合絕緣子泄漏電流仿真計算

劉 程，孔祥美

(廣東電網(wǎng)有限責任公司汕頭供電局，廣東 汕頭 515000)

0 引 言

目前，國內(nèi)外對絕緣子傘裙破損的研究主要針對于強風導致傘裙根部撕裂、材料老化芯棒裸露后斷裂掉串等情況，而對鳥類活動導致絕緣子破損的情況研究較少。針對此現(xiàn)象，該文主要研究鳥啄絕緣子致其破損情況下的電流在復合絕緣子內(nèi)部的傳導性狀，并建立復合絕緣子的ANSYS三維有限元模型。首先以復合絕緣子不同破損程度和不同破損位置為變量，模擬鳥啄絕緣子致其破損的不同程度、不同位置；然后對復合絕緣子泄漏電流的矢量值進行分析計算，得出在不同情況下泄漏電流密度分布圖以及相應數(shù)據(jù)[1-4]。由于干燥狀態(tài)下泄漏電流的大小與絕緣子內(nèi)部的電流密度息息相關(guān)，而對絕緣子內(nèi)部各點按照電流密度劃分可以分為三類，因此主要針對三個干弧距離路徑上的電流密度分布情況進行分析，分別是絕緣子傘套路徑、芯棒表面路徑和芯棒中心路徑，然后對三條路徑不同破損程度和不同破損位置時的電流密度值進行對比分析。

1 建立復合絕緣子模型

復合絕緣子泄漏電流分析計算模型中包括復合絕緣子傘裙、護套、內(nèi)部芯棒，以及作為電極的絕緣子串端部連接金具。在保證計算可靠性的前提下，該文假定：在以破損為單一變量時，假設復合絕緣子處于干燥、清潔的自然環(huán)境中，且硅橡膠傘裙上沒有污穢和水分；由于空氣電阻率遠遠大于固體物質(zhì)，在計算絕緣子內(nèi)部泄漏電流時忽略空氣對絕緣子的影響，因此不添加空氣域。綜上，模型的具體主要技術(shù)參數(shù)見表1，仿真材料參數(shù)見表2。

表1 復合絕緣子仿真模型主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of composite insulator simulation model

表2 復合絕緣子仿真材料參數(shù)Table 2 Composite insulator simulation material parameters

2 泄漏電流仿真計算結(jié)果分析

由電流密度分布的仿真結(jié)果可知，絕緣子硅橡膠傘套部分電流密度平均值為1.02×10-8A/mm2，在傘套傘裙接觸截面上及高壓端局部會達到2.01×10-8～6.02×10-8A/mm2，而絕緣子內(nèi)部芯棒的電流密度分布則不超過0.549×10-8A/mm2。同時，復合絕緣子傘裙上的電流分布不超過0.669×10-8A/mm2，其分布規(guī)律為高壓端傘裙上的電流密度略大于低壓端傘裙，同時越接近傘裙邊緣，電流密度越小。

通過圖1可以直觀看出，內(nèi)部絕緣子電流密度的分布狀況，在穩(wěn)態(tài)電壓下，區(qū)域電流密度最大矢量值為1.51×10-8A/mm2，出現(xiàn)在高壓端連接金具附近。在傘裙與傘套圓柱體交界處，電流密度激增，且在傘裙上表面與傘套柱體交界處的泄漏電流值要高于傘裙下表面，而在遠離傘套柱體的絕緣子傘裙上的大部分區(qū)域電流密度分布趨近于零。并求出電壓加載面至零電位面之間的電流，即為復合絕緣子的泄漏電流值，其結(jié)果見表3。

圖1 FXBW4-10/70復合絕緣子泄漏電流分布Fig.1 Leakage current distribution of FXBW4-10/70 composite insulator

表3 FXBW4-10/70絕緣子泄漏電流值Table 3 FXBW4-10/70 insulator leakage current value

3 復合絕緣子傘裙破損狀態(tài)下泄漏電流仿真計算

針對絕緣子傘裙不同破損程度的泄漏電流仿真計算，該文建立了4種模型：其中模型Ⅰ為傘裙完整復合絕緣子，傘裙及其他部位均不存在缺陷；絕緣子Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ高壓端第一片傘裙尖端處存在缺損，破損自尖端開始，表現(xiàn)形式為傘裙半徑減小。破損尺寸見表4。

表4 破損程度尺寸表Table 4 Size table of damage degree

4.1 傘裙不同破損程度對絕緣子泄漏電流的影響

在計算絕緣子破損情況下泄漏電流時，選取了沿傘套表面、芯棒表面、芯棒中心三個距離為干弧路徑，路徑長175 mm，每條路徑上取40個樣本點，以這些點上的電流密度值為樣本，繪制出該路徑上的電流密度分布曲線，并得出不同破損程度下的曲線對比圖，如圖2～4所示。

圖2 不同破損程度傘套外表面干弧路徑電流密度分布Fig.2 Current density distribution of dry arc path on the outer surface of umbrella sleevewith different degrees of damage

圖3 不同破損程度芯棒與傘套交界處干弧路徑電流密度分布Fig.3 Current density distribution of dry-arc path at the junction of mandrel and umbrella sleevewith different degrees of damage

圖4 不同破損程度芯棒中心干弧路徑電流密度分布Fig.4 Current density distribution of dry arc path of mandrel center with different degrees of damage

從圖2～4可知，外柱體外表面的電流密度平均值約為1.05×10-8A/mm2，芯棒外表面與傘套交界處電流密度平均值約為8×10-9A/mm2，芯棒中心路徑上的電流密度平均值約為5.2×10-9A/mm2，因此電流密度分布順序為：傘套表面>芯棒表面>芯棒中心，即在不考慮傘裙的情況下，復合絕緣子的外部電流密度分布高于內(nèi)部。

表5為不同破損程度時泄漏電流有限元積分命令計算所得結(jié)果，包括X、Y、Z等3個方向的電流密度積分以及積分矢量和。

表5 不同破損程度泄漏電流對比表Table 5 Comparison of leakage currents for different degrees of damage

由表中數(shù)據(jù)可知，在破損程度為單一變量的情況下，復合絕緣子泄漏電流的仿真值隨破損程度增加略有上升趨勢，變化幅值同理論計算的幅值相似，但略大于理論結(jié)果，幅值為2.01%左右，但相較于總量來說，泄漏電流增幅仍然很小，遠遠沒有達到泄漏電流警戒值50 mA，因此系統(tǒng)此時仍處于安全運行狀態(tài)。由對不同方向上的泄漏電流積分仿真值記錄可知，僅Y方向(電流傳輸方向)與破損程度存在正關(guān)聯(lián)度關(guān)系，其余方向由于受到網(wǎng)格劃分、有限元計算誤差等影響，與破損程度無直接比例關(guān)系，其正負號受到方向設定影響，并不代表實際大小。

4.2 傘裙不同破損位置對絕緣子泄漏電流的影響

針對不同破損位置進行建模分析時，為對理論值進行驗證，仿真采用理論計算模型為基礎，即傘裙尖端破損程度為5%時造成的缺口模型。缺口分別設立在復合絕緣子傘裙根部、傘裙下表面中部，破損模型如圖5、圖6所示。

圖5 高壓端傘裙下表面中部破損模型Fig.5 Damage model of the middle part of the lower surface of umbrella skirt at the high pressure end

圖6 高壓端傘裙下表面根部破損模型Fig.6 Damage model of the root part of the lower surface of umbrella skirt at the high pressure end

圖7、圖8分別為中部破損和根部破損復合絕緣子表面泄漏電流分布云圖。從圖中可以看出，無論哪種破損對表面泄漏電流分布的影響都是比較微小的，其分布規(guī)律都是以芯棒和硅橡膠柱體為主，傘裙上分布較稀疏，且在傘裙與柱體交匯處，泄漏電流分布局部畸高。從矢量圖中也可看出，在交匯處將出現(xiàn)泄漏電流集中現(xiàn)象，這也說明電弧放電易產(chǎn)生于柱體與傘裙界面交匯處。對不同破損位置而言，由于根部破損導致交匯處形狀突變，因此泄漏電流畸高點也發(fā)生變化。從根部破損云圖中可以看出，高壓端傘裙根部泄漏電流畸高點隨破損缺失部分而上移，最大密度0.2×10-7A/mm2出現(xiàn)在距高壓端42 mm處，而高壓端傘裙中部破損則不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，同無破損情況相同，泄漏電流最大密度出現(xiàn)在距離高壓端38 mm處，這說明根部破損對泄漏電流變化的影響較其他兩種破損大，且距低壓端更近，因此需要尤其注意傘裙根部破損情況，其可能造成泄漏電流畸高分布平面上移。

圖7 中部破損模型泄漏電流分布云圖Fig.7 Leakage current distribution cloud chart of middle damage model

圖8 傘裙下表面根部破損泄漏電流分布云圖Fig.8 Roots of the lower surface of the umbrella skirt broken leakage current distribution cloud chart

在對不同破損程度進行分析時，芯棒外表面的路徑上電流密度分布曲線振蕩較劇烈且不規(guī)律，因此在對傘裙不同破損位置的泄漏電流仿真結(jié)果進行分析時，僅取傘套外表面路徑和絕緣子芯棒中心路徑繪制分析，結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 不同破損位置傘套外表面干弧路徑電流密度分布Fig.9 Current density distribution of dry arc path on the outer surface of umbrella sleeve at different damaged positions

圖10 不同破損位置芯棒中心干弧路徑電流密度分布Fig.10 Current density distribution of dry arc path in the mandrel central at different damaged positions

對下表面不同破損缺陷位置造成的絕緣子表面電流密度變化以及整體泄漏電流值進行積分運算，求出電壓加載面至零電位面之間的電流，即為泄漏電流值，再與理論值進行比較，其結(jié)果見表6。

表6 不同破損位置泄漏電流對比表Table 6 Comparison of leakage current at different damage positions 單位：A

由表中數(shù)據(jù)可以推得，與不同破損程度結(jié)果分析相似，在變量為不同破損位置時，泄漏電流仿真值增幅較理論值大，且理論計算得出的尖端破損時泄漏電流增幅最大。仿真結(jié)果表明根部破損時，泄漏電流最大，這是由于理論計算僅考慮傘裙半徑尺寸的改變，而沒有考慮到根部破損帶來的泄漏電流畸變分布線上移的影響，導致傘裙半徑減小后的整體電阻降低大于根部破損，且在理論計算中很難將電氣性能的變化全部考慮到，因此還需要根據(jù)實際經(jīng)驗或試驗結(jié)果，將調(diào)節(jié)值化作理論參數(shù)，使理論計算更加精確。

4 結(jié) 語

基于完整、潔凈、干燥情況下的復合絕緣子三維模型，建立不同破損程度和不同破損位置的有限元模型，進行有限元分析，得出相應狀態(tài)下的泄漏電流仿真結(jié)果，通過與理論值的對比，驗證了理論算式的正確性，并得出以下結(jié)論。

1)高壓端傘裙尖端不同破損程度仿真結(jié)果表明，復合絕緣子泄漏電流仿真值隨破損程度增加略有上升趨勢，隨著破損程度從0%增加至8%，泄漏電流增幅為2.01%左右，遠遠沒有達到泄漏電流警戒值50 mA，系統(tǒng)此時仍處于安全運行狀態(tài)。

2)通過對3條路徑上的電流密度分布取值可得，電流密度分布順序為傘套表面最高，芯棒表面次之，芯棒中心最低，即在不考慮傘裙的情況下，復合絕緣子電流密度分布外部高于內(nèi)部。

3)對高壓傘裙不同破損位置的仿真結(jié)果計算表明，根部破損泄漏電流矢量和比同等破損程度下中部和尖端破損值高，這是因為根部破損導致泄漏電流畸高平面上升。通過對路徑表面進行觀察可知，根部破損時電流密度會產(chǎn)生局部增高，這也使得泄漏電流值較前兩種破損時增加略為明顯，因此要特別注意預防根部破損狀況的發(fā)生。